第4章传感器原理ppt课件.ppt

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1、4.5压电式传感器1.变换原理:压电效应压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。压电效应：物质在机械力作用下发生变形时，内部产生极化现象，在其表面上产生符号相反的电荷，去掉外力时电荷立即消失。第四章传感器测量原理与测量电路极化强度：由于压电效应而产生的电荷的密度。Px,Py沿电轴(X轴)方向的作用力)产生的压电效应---纵向压电效应把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应---横向压电效应沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应石英晶体切片（六角棱柱）：X轴：电轴（通过棱角）Y轴：机械轴（垂直棱面）Z轴：光轴（垂直于六边形）纵向压电效应和横向压电效应：电荷

2、方向相反极化强度：由于压电效应而产生的电荷的密度。Px,Py晶片的长、宽、厚分别为l、w、td11、d12分别为纵向压电系数和横向压电系数结论：对纵向压电效应，晶面产生的电荷与作用力成正比，而与晶片的几何尺寸无关。对横向压电效应，晶面产生的电荷不仅与作用力成正比，而且与晶片几何尺寸有关在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。若要测得力值F，主要问题是如何测得电荷值。注意：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。在动态力作用下，电荷可

3、以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量压电材料分为压电晶体和压电陶瓷居里点：压电材料失去压电特性时的临界温度。1压电晶体1）石英晶体：化学成分：二氧化硅温度稳定性好居里点为573℃压电系数比较小2）水溶性压电晶体化学成分：酒石酸钾钠压电系数很大（1000倍）机械强度低居里点低，容易受潮压电材料2压电陶瓷压电陶瓷是由多种材料烧制而成的，本身并没有压电效应，需用强电场对其进行极化处理后其才有压电效应。1）钛酸钡压电陶瓷较高的压电系数（50）抗湿性能较好居里点低（120℃）温度稳定性也较差2）锆钛酸铅压电陶瓷压电系数较高（100）居里点310℃等效

4、电路和测量电路压电晶体的绝缘电阻很高，表面有电荷，可视为电容器。等效电路：1）电荷等效电路2）电压等效电路在使用压电式传感器时，它是与测量仪器配合一起使用的，此时必须考虑连接电缆电容Cc，放大器输入电容Ci和输入电阻Ri，再加上传感器本身的电容Ca和泄漏电阻Ra，则完整的等效电路如图所示。根据传感器的工作原理和等效电路，它的输出可以是电压信号，也可以使电荷信号，因此放大器分别有电压放大器和电荷放大器两种。压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。前置放大器的

5、作用有两点：其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。输出电压为复数，其函数关系由其传递函数（一阶高通环节）确定。1电压放大器前置放大器的输入电压和传感器的电压灵敏度都与连接传感器到前置放大器之间的电缆电容Cc有关。当改变电缆长度时，前置放大器输入电压与传感器灵敏度都会发生变化。因此，在使用中，电缆不是规定的长度时，要重新标定灵敏度。电缆电容的变化会引入压电传感器的测量误差，

6、这就是电压放大器的一个突出缺点。忽略输入电阻和绝缘电阻2电荷放大器放大器的输出电压与电缆电容无关，也就是说传感器的输出灵敏度与电缆电容无关。因此，采用电荷放大器时，电缆长度的变化对传感器的灵敏度影响不大，这就是电荷放大器的一个突出优点。但是，电缆长度的增加，会使电缆噪声增大，降低了测量的信噪比，为了减小电缆的噪声，不仅要用屏蔽电缆，还要使用价格较贵的低噪声电缆。ICP压电传感器ICP（IntegretedCircuitPiezoelectric)特点：将前端的放大器置于传感器内好处：允许信号传输采用普通的屏蔽电缆（低阻抗），长距离传输特点属能量转换型传感器，无需外界供电。固

7、有频率高，适用于进行动态测量。（60kHz～200kHz）常因绝缘电阻不够高存在漏电现象，从而影响其低频特性，不适于静态测量。灵敏度高，体积小。广泛应用于加速度和动态力、压力的测量。产品加速度计力传感器4.6压阻式传感器一、工作原理压阻式传感器是以单晶硅膜片作为敏感元件，在该膜片上采用集成电路工艺制作四个电阻并组成惠斯登电桥，当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有输出。半导体电阻的相对变化为：由于半导体材料的各向异性，对不同的晶轴方向其压阻系数不同，则电阻的相对变化可表示为：和——纵向应力和